本發(fā)明屬于無人水下航行器整體性能分析及nsga-ii算法求解多目標的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

無人水下航行器(unmannedunderwatervehicle，uuv)是一種主要以潛艇或水面艦船為支援平臺、能長時間在水下自主遠程航行的智能化裝置，它可以攜帶多種傳感器、專用設(shè)備或武器，執(zhí)行特定的使命和任務(wù)，被視為現(xiàn)代海軍的“力量倍增器”，其軍事用途已經(jīng)受到世界許多國家的廣泛重視。

uuv具有活動范圍大、潛水深、機動性好、智能化、運行和維護費用低等優(yōu)點，作為人類在海洋活動中，特別是深?；顒又械闹匾娲吆蛨?zhí)行者，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)考察、深海作業(yè)等領(lǐng)域。

uuv的研制是一項綜合性極強的復(fù)雜系統(tǒng)工程，而uuv總體綜合優(yōu)化設(shè)計是其研制工程的核心和關(guān)鍵，在uuv的設(shè)計建造的過程中起著主導(dǎo)作用。運用系統(tǒng)工程的思想和方法，通過減振降噪設(shè)計、航行性能設(shè)計、可靠性和維修性設(shè)計、全壽命周期費用的合理設(shè)計等，綜合平衡各種設(shè)計要素，建造出先進實用的uuv，是總體優(yōu)化設(shè)計的基本任務(wù)。

目前從各國uuv艇型設(shè)計方案看，雖然開架式、多體式等多種結(jié)構(gòu)形式已應(yīng)用于uuv的設(shè)計中，但空間利用率高、阻力小、速度高、制造工藝簡單的流線型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)仍是各國uuv設(shè)計者的首選。目前，國內(nèi)外的諸多高校及科研機構(gòu)都在多學(xué)科、多目標綜合優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域進行了相應(yīng)的研究，并初步應(yīng)用到了實際工程的問題中。在uuv設(shè)計的實際工程中，海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計的優(yōu)化問題一般是按照順序方式處理的，并未充分考慮各學(xué)科之間的相互聯(lián)系，所以傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物優(yōu)化設(shè)計得到的結(jié)果往往是局部最優(yōu)解，而并非全局最優(yōu)解，特別是當uuv的置空率，也就是航行器體內(nèi)無效體積或航行器全排水體積過高時會降低uuv的總體工作性能，因此，建立一種正確適用的數(shù)學(xué)模型、構(gòu)造一種可靠穩(wěn)定的優(yōu)化方法、降低uuv置空率達到最優(yōu)是目前行業(yè)中亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決多目標、多約束、多變量的實際uuv綜合性能問題且實現(xiàn)典型uuv結(jié)構(gòu)、性能以及uuv置空率的綜合優(yōu)化的基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，其主要實施步驟如下：

(1)建立uuv的多學(xué)科優(yōu)化模型，明確優(yōu)化目標函數(shù)，將uuv的總體設(shè)計進行子系統(tǒng)分解，完成uuv的模型設(shè)計；

(2)確定多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計問題中包含的連續(xù)變量、離散變量，計算出目標函數(shù)，規(guī)定約束條件；

(3)基于nsga-ii算法，根據(jù)步驟(2)中的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計對航行器進行多學(xué)科優(yōu)化，得到uuv置空率的最優(yōu)結(jié)果。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，步驟(1)的具體實施方式如下：

(1.1)規(guī)劃uuv的總體布置：計算出uuv的重力、重心、浮力和浮心，并使其滿足平衡條件；

(1.2)確定uuv構(gòu)型方案，優(yōu)化載體型線，明確uuv構(gòu)型中需優(yōu)化的各目標函數(shù)；

(1.3)確定uuv的能源系統(tǒng)優(yōu)化方案：使用鋰離子電池，在基本鋰離子電池確定后優(yōu)化能源系統(tǒng)的續(xù)航時間、能源艙體積、重量與成本。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，步驟(1.1)中所述的重力等于浮力，重心與浮心具有相同的橫向、縱向坐標；航行器的總重力是艇上各部分重力的總和，包括結(jié)構(gòu)重量、設(shè)備重量、有效載荷、浮力材料重量等。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，步驟(1.2)中所述的uuv構(gòu)型包括流體性能學(xué)科及耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，流體性能學(xué)科包括推進學(xué)科和阻力性能學(xué)科，耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計包括耐壓殼設(shè)計和輕外殼設(shè)計；uuv構(gòu)型內(nèi)容包括航行器的主尺度與航行器的外型。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，所述的步驟(2)的具體實施方式如下：

(2.1)對uuv進行總布置設(shè)計，確定uuv的重力、重心、浮力和浮心，并使其滿足平衡條件；

(2.2)設(shè)計uuv構(gòu)型，確定各構(gòu)型的變量、目標函數(shù)與約束條件；

(2.3)優(yōu)化能源系統(tǒng)中的各項分系統(tǒng)。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，所述的步驟(2.1)具體實現(xiàn)方式如下：

(2.1.1)設(shè)各部分重量為wi，重心坐標為(xi,yi,zi)，則總的重量和重心坐標為：

其中，n為重力組成部件的總數(shù)；

(2.1.2)航行器的總浮容積為航行器上各部分浮容積的總和，設(shè)各部分浮容積為vi，容積中心坐標為(xi,yi,zi)，則總的浮容積和容積中心坐標為：

(2.1.3)設(shè)置變量：n個零件的分別體積v1～vn，航行器的總體積vuuv，取任一向量xra表示為：

xra＝{v1,v2,...,vn,vuuv}

得到uuv最小置空率目標函數(shù)為：

(2.1.4)確定約束條件為：航行器水下狀態(tài)浮心在重心以上高度值大于50mm。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，所述的步驟(2.2)具體實現(xiàn)方式如下：

(2.2.1)設(shè)uuv構(gòu)型中流體性能優(yōu)化向量為：

其中，ls為uuv艏段長度，lm為uuv平行中體段長度,la為uuv艉段長度，d1為為uuv中橫剖面直徑，d2為uuv艉段端面直徑，lk為uuv平行中體底部寬，zb為浮心縱向位置，s為濕表面積，d3為螺旋槳直徑，為螺旋槳盤面比，為螺旋槳螺距比，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，vd為設(shè)計航速；

參照海軍系數(shù)，流體性能優(yōu)化目標函數(shù)為：

其中：vδ為排水量，rx為總阻力，η0螺旋槳敞水效率，ηh船身效率，ηr相對旋轉(zhuǎn)效率，ηs軸系傳送效率，ρ海水密度，cf摩擦阻力系數(shù)，δcf粗糙度補貼系數(shù)，cpv粘壓阻力系數(shù)，cap附體阻力系數(shù)；

確定約束條件為：保持vδ不變；螺旋槳的有效推力等于艇體航行時遭受的阻力；主機供給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩等于螺旋槳所承受的水動力矩；

(2.2.2)優(yōu)化耐壓艙構(gòu)型，依據(jù)設(shè)計方案選定優(yōu)化的設(shè)計變量，設(shè)定殼體體積為vhu，設(shè)目標函數(shù)為：

確定約束條件為：周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力均小于最大承受壓力除以安全系數(shù)k；通過圓柱殼局部屈曲公式、圓柱殼整體屈曲公式計算使得屈曲值均大于屈曲要求載荷的k倍；

(2.2.3)優(yōu)化輕外殼構(gòu)型，選擇10個優(yōu)化的設(shè)計變量，設(shè)輕外殼構(gòu)型優(yōu)化向量為：

xls＝{dls,lls1,lls2,hls,lls3,d1,d2,d3,d4,ρls}

其中，dls為艇體中橫剖面直徑，lls1為艇體平行中體長度，lls2為艇體平行中體底部寬度，hls為縱向支撐板高度，lls3為底部內(nèi)板寬度，d1為輕外殼底部材料鋪設(shè)厚度；d2為輕外殼底部內(nèi)板材料鋪設(shè)厚度；d3為輕外殼縱向支撐板材料鋪設(shè)厚度；d4為輕外殼外殼板材料鋪設(shè)厚度，ρls為材料密度；

求得輕外殼的重量為：

mls＝ρls·g·(vls1+vls2+vls3+vls4)

其中，vls1、vls2、vls3、vls4分別為輕外殼的外殼底板、內(nèi)底板、縱向支撐板、外殼板體積；

得到目標函數(shù)為：

確定約束條件為：船體縱向構(gòu)件由船體總縱彎曲引起的正應(yīng)力加上局部載荷作用下彎曲引起的應(yīng)力合成總正應(yīng)力，忽略水下航行器靜置在波浪上的附加彎矩，在中垂或者中拱的情況下都應(yīng)滿足總正應(yīng)力小于k倍材料的屈服極限強度。

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，所述的步驟(2.3)具體實現(xiàn)方式如下：

(2.3.1)優(yōu)化續(xù)航時間，根據(jù)航行器主要使命任務(wù)，考慮所攜帶任務(wù)模塊的預(yù)期使用方式，給出航行器執(zhí)行探測攻擊的任務(wù)剖面，計算所需動力電池和儀表電池容量；

選定優(yōu)化能源系統(tǒng)續(xù)航時間的設(shè)計參量，設(shè)能源系統(tǒng)續(xù)航時間的優(yōu)化向量xpwt為：

xpwt＝{ps,pg,pd,pδ,pw,qds,qys}

其中，ps為巡航速度下所需提供的推進電機功率，pg為高速航行時所需提供的推進電機功率，pd為低速航行時所需提供的推進電機功率，pδ為舵機所需提供的扭矩電機功率，pw為采用同時系數(shù)方法統(tǒng)計航行器的設(shè)備負載總功率，qds為動力單片電芯的容量，qys為儀表單片電芯的容量；

確定修正系數(shù)ε1＝1.01，儲備系數(shù)為ε2＝1.05，滿足航行器巡航速度下，航程大于等于1000km所需攜帶的動力電池容量為：

qa1＝ε1·ε2·(2ps·t1+pd·t2+pg·t3+pδtall)

其中，t1為巡航速度下電池組的使用時間，t2為低速航行時電池組的使用時間，t3為高速航行時電池組的使用時間，tall為系統(tǒng)的總運行時間；

得到目標函數(shù)為：

maxzpwt(x)＝ta

確定約束條件為：電池的總體積小于能源倉的總體積，5km速度航行下的續(xù)航力大于90km；

(2.3.2)優(yōu)化能源艙體積，選定優(yōu)化能源艙體積的設(shè)計參量，設(shè)能源艙體積的優(yōu)化向量xpwv為：

xpwv＝{lpc,lpk,lph}

得到能源艙體積為：

vav＝lpc·lpk·lph

目標函數(shù)為：

確定約束條件為：能源艙體積大于一組電池的體積；

(2.3.3)優(yōu)化能源艙內(nèi)的總重量，選定優(yōu)化能源艙內(nèi)的總重量的設(shè)計變量，設(shè)能源艙內(nèi)的總重量的優(yōu)化變量xpww為：

xpww＝{lbc,lbk,lbh,dpw,ρ}

其中，lbc為能源艙電池長度方向的布置間距，lbk為能源艙電池寬度方向的布置間距，lbh為能源艙電池高度方向的布置間距，dpw為能源艙外殼壁的厚度，ρ為能源艙外殼采用的材料密度；

則能源艙外殼重量和電池重量分別為：

wpw＝ρ(lbc·lbk+lbc·lbh+lbk·lbh)·2dpw

wba＝nd·gd+ny·gy

得到目標函數(shù)為：

(2.3.4)優(yōu)化能源艙的成本，選定優(yōu)化能源艙的成本的設(shè)計變量，設(shè)能源艙的成本的優(yōu)化變量xpwm為：

xpwm＝{mpl,mpg,lbc,lbk,lbh,dpw,ρ}

其中，mpl為單個鋰離子電池的價格，mpg為能源艙鋼板的價格；

則能源艙外殼價格mpw＝wpw×mg，能源艙電池價格mba＝nd·md+ny·my

其中，mg為能源艙外殼的每噸單價，md為動力電池單價，my為儀表電池單價；

得到能源艙的總價格為：

mam＝mpw+mba

目標函數(shù)為：

對于一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，所述的步驟(3)中的具體實施方式如下：

(3.1)選擇nsga-ii算法作為系統(tǒng)優(yōu)化的搜索算法；

(3.2)設(shè)流體性能目標函數(shù)、耐壓殼優(yōu)化性能指標、輕外殼性能指標、續(xù)航能力、能源艙體積、能源艙重量、能源艙成本為一個種群p，設(shè)置種群為置空率最小；

(3.3)對種群中的每一個個體p設(shè)置兩個參數(shù)sp和np，其中，sp為個體p所支配的個體的幾何，np為為支配個體p的個體數(shù)量；

(3.4)搜索種群中所有np＝0的個體，放入集合f1中，并賦予相應(yīng)的非支配序irank；

(3.5)考察集合f1的每個個體p所支配的集合sp；將集合中的每個個體q的np減1，若nq-1＝0且個體q是sp中的非支配個體，將個體q放入到另一個集合q中，對q進行分級并賦予非支配序，重復(fù)步驟(3.5)，直到所有個體都被分級；

(3.6)計算擁擠度id；

(3.7)當irank＜jrank，或者irank＝j(luò)rank,id＞jd時，確定個體i優(yōu)于個體j，

(3.8)在nsga-ii算法中將uuv的置空率設(shè)置為優(yōu)于其他個體；

(3.9)對比uuv系統(tǒng)各項優(yōu)化，選擇uuv綜合性能最好的優(yōu)化過程，得出uuv置空率最小的方法。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出的一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法建立了一種uuv多學(xué)科優(yōu)化模型，通過建立正確適用的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造了一種可靠穩(wěn)定的優(yōu)化方法。本發(fā)明選用nsga-ii算法作為系統(tǒng)優(yōu)化的搜索算法，解決了多目標、多約束、多變量的實際uuv綜合性能問題，實現(xiàn)了典型uuv結(jié)構(gòu)、性能以及uuv置空率的綜合優(yōu)化，這不僅降低了uuv的置空率，提高了航行性能，同時還保證了uuv的各方面良好性能指標，具有較好的實用性。這種方法具有廣闊的市場前景，同時hia可以帶動相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進步。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中uuv多目標優(yōu)化模型圖；

圖2為本發(fā)明中uuv輕外殼橫向剖面圖；

圖3為本發(fā)明中基于nsga-ii算法的航行器的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明提出了一種基于nsga-ii算法的降低uuv置空率的優(yōu)化方法，其具體的實施方式如下：

(1)建立uuv的多學(xué)科優(yōu)化模型，明確優(yōu)化目標函數(shù)，將uuv的總體設(shè)計進行子系統(tǒng)分解設(shè)計，完成uuv的模型設(shè)計；

(2)確定方案多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(mdo)問題包含的連續(xù)變量、離散變量，計算出目標函數(shù)，規(guī)定約束條件；

(3)基于nsga-ii算法，據(jù)步驟二的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計進行航行器的mdo優(yōu)化，完成uuv置空率最小構(gòu)型方案總體優(yōu)化技術(shù)方案。

結(jié)合圖1，步驟(1)的具體實施方式如下：

建立uuv的多學(xué)科優(yōu)化模型，初步將uuv整體分解成三個學(xué)科：(1.1)總布置設(shè)計，(1.2)uuv構(gòu)型設(shè)計，(1.3)能源學(xué)科。對于總布置設(shè)計，必須計算出重力、重心、浮力和浮心，并使其滿足平衡條件：重力等于浮力，重心與浮心具有相同的橫向、縱向坐標。航行器的總重力是艇上各部分重力的總和，包括結(jié)構(gòu)重量、設(shè)備重量、有效載荷、浮力材料重量等。uuv構(gòu)型設(shè)計包括確定航行器的主尺度與外型。uuv構(gòu)型設(shè)計的目標是優(yōu)化載體型線，設(shè)計最小航行阻力的載體型線。uuv構(gòu)型設(shè)計包括流體性能學(xué)科以及耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，在流體性能學(xué)科中，又可細分為推進學(xué)科和阻力性能學(xué)科。耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計分為耐壓殼設(shè)計和輕外殼設(shè)計。對于能源學(xué)科，本專利優(yōu)化uuv的能源系統(tǒng)考慮能源的可靠性、可維護性等因素采用鋰離子電池，在基本鋰離子電池確定的前提下，為使能源系統(tǒng)更好利用，從提高續(xù)航時間和減小能源艙體積、重量、成本四方面進行優(yōu)化。、

步驟(2)的具體實施方式如下：

根據(jù)實際，確定初步方案多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(mdo)問題包含的連續(xù)變量、離散變量、目標函數(shù)和約束條件。各部分學(xué)科具體設(shè)計如下：

(2.1)總布置設(shè)計

設(shè)各部分重量為wi，重心坐標為(xi,yi,zi)，則總的重量和重心坐標可由下式求得：

式中：n為重力組成部件的總數(shù)。

航行器的總浮容積是航行器上各部分浮容積的總和,設(shè)各部分浮容積為vi，容積中心坐標為(xi,yi,zi)，則總的浮容積和容積中心坐標可由下式求得：

航行器是左右對稱的，重力分布也保持左右對稱，故一般不會產(chǎn)生橫傾。航行器在水下作業(yè)時，要求浮力與重力平衡，這樣不至于增加垂向推力器的負擔，從而節(jié)省能源。從安全的角度出發(fā)，需要有一定的正浮力，因此初步設(shè)計階段要求：

式中，δw為要求的儲備浮力，用以平衡如實現(xiàn)無動力下潛時所攜帶的壓載重量，電纜等不可計算重量；為穩(wěn)心高。

設(shè)置變量：變量即為n個零件的分別體積v1～vn，以及航行器的總體積vuuv，n+1個變量，取一向量xra表示為：

xra＝{v1,v2,…,vn,vuuv}(4)

uuv最小置空率目標函數(shù)：

約束條件為根據(jù)中國船級社《潛水系統(tǒng)和航行器入級與建造規(guī)范－1996》13.4.1節(jié)關(guān)于航行器水下穩(wěn)性的要求，航行器水下狀態(tài)浮心在重心以上高度值應(yīng)不小于50mm，即穩(wěn)心高大于50mm。

(2.2)uuv構(gòu)型設(shè)計

流體性能學(xué)科：對于航行器流體性能的因素，從阻力方面看，uuv的總阻力取決于排水量、航速、方形系數(shù)、主尺度、艇體型線等諸多因素；從推進方面看，對于螺旋槳推進方式、螺旋槳的效率與負荷系數(shù)直接相關(guān)，這涉及到螺旋槳的收到功率、轉(zhuǎn)速、直徑和航速等。綜合參考分析以上因素可得流體性能優(yōu)化的13個設(shè)計變量，包括：uuv艏段長度ls，uuv平行中體段長度lm,uuv艉段長度la，uuv中橫剖面直徑d1，uuv艉段端面直徑d2,uuv平行中體底部寬lk，浮心縱向位置zb，s濕表面積，螺旋槳直徑d3，螺旋槳盤面比螺旋槳螺距比螺旋槳轉(zhuǎn)速n，設(shè)計航速vd，用一向量xtr表示，即：

海軍系數(shù)包括船舶阻力與推進性能優(yōu)劣的綜合信息，參照海軍系數(shù)，流體性能優(yōu)化目標函數(shù)為：

其中：式中：vδ為排水量，rx為總阻力，η0螺旋槳敞水效率，ηh船身效率，ηr相對旋轉(zhuǎn)效率，ηs軸系傳送效率，ρ海水密度，cf摩擦阻力系數(shù)，δcf粗糙度補貼系數(shù)，cpv粘壓阻力系數(shù)，cap附體阻力系數(shù)。摩擦阻力系數(shù)cf，按照ittc推薦公式求得：

式中：雷諾數(shù)其中l(wèi)為特征長度，v為航速，為水的運動粘性系數(shù)。粗糙度補貼系數(shù)δcf，其通常取值范圍為0.4×103～0.9×103。形狀阻力系數(shù)cpv，這部分阻力與艇型關(guān)系密切，并且航速越高，在總阻力中占據(jù)的比例越大。cpv的估算較為復(fù)雜，主要是因為艇體表面的流動分離現(xiàn)象的復(fù)雜性。航行器主體的形狀阻力系數(shù)可根據(jù)uuv多種方案數(shù)值計算值回歸而得到。cap這部分阻力可根據(jù)試驗求得或按照母型船估算。本發(fā)明給出了幾種典型形狀的附體在迎流狀態(tài)下的阻力系數(shù)。(9)式子中的

其中，kt1螺旋槳推力系數(shù)，kt2螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)，n螺旋槳轉(zhuǎn)速，d螺旋槳直徑，t推力減額分數(shù)，w伴流分數(shù)，η1螺旋槳船后效率，η2螺旋槳敞水效率。aijk、j、bijk為系數(shù)，可以查閱相關(guān)文獻獲得得到具體數(shù)值。

由幾何外形可以計算得到航行器的外形特征參數(shù)：航行器主體長l和航行器主體的水下濕表面積s為：

l＝ld+lp+lr，s＝sd+sp+sr(13)

式中，sd航行器艏部濕表面積，sp航行器中部濕表面積，sr航行器艉部濕表面積。

約束條件包括：滿足浮性條件，vδ保持不變；螺旋槳的有效推力等于艇體航行時遭受的阻力；主機供給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩等于螺旋槳所承受的水動力矩。

耐壓艙外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計：它的形狀以及材料選擇范圍較大，不同設(shè)計師可能會選擇不同方案，因此這里設(shè)定殼體體積為vhu，優(yōu)化的設(shè)計變量依據(jù)設(shè)計方案選定，目標函數(shù)設(shè)定為：

在滿足耐壓艙殼體體積最小前提下，需滿足約束條件：周向應(yīng)力，軸向應(yīng)力均小于最大承受壓力除以安全系數(shù)k；通過圓柱殼局部屈曲公式、圓柱殼整體屈曲公式計算使得屈曲值均大于屈曲要求載荷(臨界載荷)的k倍。

輕外殼優(yōu)化設(shè)計：結(jié)合圖3，為優(yōu)化輕外殼的橫剖面形式，圖中d1～d4是各處鋪設(shè)材料的厚度。經(jīng)綜合分析，本文共選擇10個參數(shù)作為該優(yōu)化的設(shè)計變量：艇體中橫剖面直徑dls，艇體平行中體長lls1，艇體平行中體底部寬lls2，縱向支撐板高度hls，底部內(nèi)板寬度lls3，輕外殼底部材料鋪設(shè)厚度d1；輕外殼底部內(nèi)板材料鋪設(shè)厚度d2；輕外殼縱向支撐板材料鋪設(shè)厚度d3；輕外殼外殼板材料鋪設(shè)厚度d4，材料密度ρls。用一向量xls表示，即：

xls＝{dls,lls1,lls2,hls,lls3,d1,d2,d3,d4,ρls}(15)

在使輕外殼達各項要求的同時，需要使航行器中橫剖面縱向構(gòu)件材料重量最輕，因此有輕外殼的重量為：

mls＝ρls·g·(vls1+vls2+vls3+vls4)(16)

式中vls1、vls2、vls3、vls4分別為輕外殼的外殼底板、內(nèi)底板、縱向支撐板、外殼板體積。

則目標函數(shù)為：

本專利輕外殼優(yōu)化的約束條件參考國家軍用標準之艦船通過規(guī)范(gjb4000-2000)，并根據(jù)中國船級社ccs發(fā)布的海上高速單體船入級與建造規(guī)范進行適當修改。船體縱向構(gòu)件受由船體總縱彎曲引起的正應(yīng)力加上局部載荷作用下彎曲引起的應(yīng)力合成總正應(yīng)力，忽略水下航行器靜置在波浪上的附加彎矩，則在中垂或者中拱的情況下都應(yīng)滿足總正應(yīng)力小于k倍材料的屈服極限強度，k的選值依情況而定，可參考相關(guān)文獻。

(2.3)能源學(xué)科：

①高續(xù)航時間

根據(jù)航行器主要使命任務(wù)，并考慮所攜帶任務(wù)模塊的預(yù)期使用方式，給出航行器執(zhí)行探測攻擊的任務(wù)剖面，并以此進行所需動力電池和儀表電池容量計算。經(jīng)過綜合分析，我們選擇以下7個參數(shù)作為能源系統(tǒng)續(xù)航時間優(yōu)化的設(shè)計變量，包括：巡航速度下所需提供的推進電機功率為ps，高速航行時所需提供的推進電機功率為pg，低速航行時所需提供的推進電機功率為pd，舵機所需提供的扭矩電機功率為pδ，采用同時系數(shù)方法統(tǒng)計航行器設(shè)備負載總功率為pw，動力單片電芯的容量qds，儀表單片電芯的容量qys，用一向量表示xpwt：

xpwt＝{ps,pg,pd,pδ,pw,qds,qys}(18)

考慮線損、接觸器消耗等因素，取修正系數(shù)ε1＝1.01；考慮電池的儲備因素，取儲備系數(shù)為ε2＝1.05；滿足航行器巡航速度下，航程不小于1000km所需攜帶的動力電池容量為：

qa1＝ε1·ε2·(2ps·t1+pd·t2+pg·t3+pδtall)(19)

為了滿足動力用電容量qd＞qa1的需求，需要動力單片電芯數(shù)量：

式中：v1為電池的額定電壓，通常取為3.7v；qds為動力單片電芯的容量。采用同時系數(shù)方法統(tǒng)計航行器設(shè)備負載總功率為：pw；考慮線損、dc/dc轉(zhuǎn)換效率等因素，取修正系數(shù)ε1＝1.1；考慮電池的儲備因素，取儲備系數(shù)為ε2＝1.05；航行器執(zhí)行攻擊任務(wù)時，系統(tǒng)總運行時間為tall，所需攜帶的最小儀表電池容量為：

qa2＝ε1·ε2·pw·tall(21)

為了滿足儀表用電容量qy＞qa2的需求，需要儀表單片電芯數(shù)量：

式中：qys為儀表單片電芯的容量。

約束條件附加上電池的總體積不得能源倉的總體積。

續(xù)航總時間為：

ta＝t1+t2+t3(23)

目標函數(shù)為：

maxzpwt(x)＝ta(24)

在滿足流體性能約束條件外，新增約束條件有：5km速度航行下的續(xù)航力大于90km。

②減小能源艙體積:

經(jīng)過綜合分析，我們選擇以下3個參數(shù)作為能源系統(tǒng)能源艙體積優(yōu)化的設(shè)計變量，包括：能源艙長度lpc，能源艙寬度lpk，能源艙高度lph。用一向量表示xpwv，即：

xpwv＝{lpc,lpk,lph}(25)

則能源艙的體積為：

vav＝lpc·lpk·lph(26)

目標函數(shù)為：

其體積必須大于一組電池的體積，否則沒有能源供應(yīng)。

③減小能源艙內(nèi)的總重量

能源艙的重量由能源艙外殼的重量、電池重量兩部分組成。經(jīng)過綜合分析，我們選擇以下5個參數(shù)作為能源系統(tǒng)能源艙總重量優(yōu)化的設(shè)計變量，包括：能源艙電池長度方向的布置間距l(xiāng)bc，能源艙電池寬度方向的布置間距l(xiāng)bk，能源艙電池高度方向的布置間距l(xiāng)bh，能源艙外殼壁的厚度dpw，能源艙外殼采用材料密度為ρ。用一向量表示xpww，即：

xpww＝{lbc,lbk,lbh,dpw,ρ}(28)

能源艙外殼重量和電池重量分別為：

gd為動力電池重量，gy為儀表電池重量，則能源艙總重量:

wap＝wpw+wba(30)

目標函數(shù)：

④減小能源艙的成本

經(jīng)過綜合分析，我們選擇以下7個參數(shù)作為能源系統(tǒng)能源艙總重量優(yōu)化的設(shè)計變量，包括：單個鋰離子電池的價格mpl，能源艙鋼板的價格mpg，以及艙內(nèi)總重量涉及的5個變量。用一向量表示xpwm，即：

xpwm＝{mpl,mpg,lbc,lbk,lbh,spw,ρ}(32)

能源艙外殼價格：mpw＝wpw×mg，能源艙外殼的重量單位為噸，每噸單價mg。

能源艙電池價格：mba＝nd·md+ny·my，動力電池單價md，儀表電池單價my。

則能源艙總價格：

mam＝mpw+mba(33)

目標函數(shù)：

結(jié)合圖2，步驟(3)中uuv初步方案的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(multidisciplinarydesignoptimization，mdo)的具體實施方式如下：

確定初步方案mdo問題包含的連續(xù)變量、離散變量、目標函數(shù)和約束條件，往往目標函數(shù)和約束條件無法用顯示表達式表達，只能通過數(shù)值計算程序計算獲得。選用nsga-ii算法作為系統(tǒng)優(yōu)化的搜索算法，在nsga-ii算法中，設(shè)置種群為置空率最小、流體性能目標函數(shù)、耐壓殼優(yōu)化性能指標、輕外殼性能指標、續(xù)航能力、能源艙體積、能源艙重量、能源艙成本為一個種群p，每個個體p都設(shè)有兩個參數(shù)sp和np，sp為個體p多支配的個體的幾何，np為支配個體p的個體數(shù)量。首先搜索種群中所有np＝0的個體，放入集合f1中，并賦予相應(yīng)的費支配序irank，然后對于集合f1的每個個體p，考察其所支配的集合sp，將集合中的每個個體q的nq減1，若nq-1＝0，及個體q是sp中的非支配個體，將個體q放入到另一個集合q中，對q進行分級并賦予非支配序，重復(fù)以上，知道所有個體都被分級。然后計算出擁擠度id。有了每個個體的兩個屬性：非支配序irank和擁擠度id。定義當irank＜jrank，或者滿足irank＝j(luò)rank，id＞jd時，個體i優(yōu)于個體j，在本算法中，設(shè)uuv的置空率這個個體優(yōu)于其他各體。在uuv綜合性能較好的情況下得出置空率最小方案。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。